一种提高圆极化阵列天线宽角扫描特性的设计方法研究

发布时间：2020-12-19 10:48

　　通过对传统矩形和圆形微带贴片天线单元的仿真与优化,提出了一种低剖面宽波束圆极化阵列天线单元结构。用该天线单元采用顺序旋转布阵得到2×2子阵,再由子阵扩展成为8×8矩形阵列。通过HFSS仿真验证了该阵列天线具备理想的宽角扫描特性和圆极化特性,天线在工作频段内可实现方位360°、俯仰±60°扫描,扫描范围内天线增益波动小于3 dB,轴比小于2.8 dB,同时天线还具有极低的剖面,高度尺寸仅为0.05λ0。针对传统圆极化阵列天线的扫描特性,分析并总结了一种提高宽角扫描特性的设计方法,可在不增加天线剖面的情况下,扩展单元波束宽度并抑制互耦,实现圆极化阵列天线宽角扫描。 

【文章来源】：通信技术. 2020年09期

【文章页数】：6 页

【部分图文】：

传统圆极化微带天线单元结构图

为了获得互耦较低和波束宽度更宽的天线结构，本文提出一种结构简单的辅助辐射器，该辅助辐射器由寄生在微带贴片周围的金属圆环和若干金属圆柱构成。加载辅助辐射器后的天线单元结构如图2所示，单元结构从上到下依次为辅助辐射结构、微带贴片、介质板和接地板，其中8个金属圆柱环形分布于介质板中，将辅助辐射环和接地板相连接。天线加工采用PCB工艺，仅需一张单层高频板材即可完成，金属圆柱可通过金属化通孔的方式加工实现。介质基板可选用Rogers或Taconic等公司的高频板材，本文仿真设计选用相对介电常数为3，损耗角正切为0.0013的Rogers RO3003板材，为了保证天线工作带宽，选用板材厚度为20mil。考虑上下表面铜层和镀层厚度，该天线的成品厚度小于0.6mm。天线单元馈电采用单同轴背馈方式实现，馈电端口可根据工程应用需求选用金属化通孔结构，利用SMP/SSMP系列高频连接器与T/R组件模块连接；也可选用金属圆盘结构，适用于毛纽扣等弹性连接器；还可以和T/R组件通过多层PCB或LTCC等工艺一体化集成。传统的圆形微带贴片天线通过开槽可产生两个正交简并模而实现圆极化，矩形微带贴片天线圆极化则可通过对角线馈电来实现。两种微带贴片周围加载辅助辐射结构后，天线单元的仿真结果对比如图3和图4所示。由仿真曲线可见，两种微带贴片的原始辐射方向图波束宽度窄、增益高，最大增益可达7.3d Bi；加载后，天线单元的最大增益下降，但波束宽度有所展宽，由于受环形辐射结构的影响，天线单元辐射方向图的对称性也有所改善。图4的轴比曲线图显示，两种天线单元的圆极化特性受环形辐射器的影响很小。

由图3和图4的仿真曲线可知，尽管加载后天线单元的辐射方向图对称性有所改善，但在两个正交剖面，天线波束还是偏向Theta角的正方向；另外，天线单元轴比随着角度增大在不断增加。这两个因素将在一定程度上影响二维相控阵天线大角度扫描时的辐射增益和轴比性能。为了获得更加对称的扫描方向图，需要进一步优化天线单元性能。考虑到更改天线单元结构会增加天线的结构复杂度和加工难度，故采用优化子阵性能的思路来解决该问题。图4 天线单元轴比图


本文编号：2925771